Zähigkeit und Wachstum von Ermüdungsrissen in Al-Schaum

Der Zwang zur Struktur- und Kosteneffizienz hat zu einem großen technischen Interesse an zellularen metallischen Werkstoffen geführt. Durch die Entwicklung von Herstellungsprozessen ist es nun möglich, solche Werkstoffe in großen Mengen auch im Verbund mit massiven metallischen Bauteilen herzustellen. Aus der mechanischen Sicht haben solche Werkstoffe gute Anwendungschancen als Energieabsorber und für Strukturkomponenten, als leichtes Core für Platten, Schalen und Rohre, etc. Für die Anwendung als Strukturwerkstoff sind auch die mechanischen Eigenschaften unter Zugbelastung, die Ermüdungseigenschaften, S-N-Kurven, Dauerfestigkeit, Ermüdungsrißfortschrittsverhalten und die Bruchzähigkeit essentiell. Für geschlossenporige Systeme aus plastisch verformbaren Werkstoffen gibt es für die oben angeführten Eigenschaften kaum Daten und keine Skalierungsbezeichnungen als Funktion der Dichte, Zellmorphologie, Zellwandeigenschaften, Einfluß der Unregelmäßigkeiten und Defekte. In diesem Verbundprojekt wollen wir (das Erich-Schmid-Institut, ESI, und als Subkontraktor das Institut für Leichtbau und Flugzeugbau, ILFB, der TU-Wien) solche Relationen für das Ermüdungsrißfortschrittsverhalten und die Bruchzähigkeit solcher Werkstoffe suchen und testen. Als Versuchswerkstoff sollten 4 Schaumaluminiumwerkstoffe mit verschiedenen Dichten und unterschiedlichen Strukturen (Zellgrößen, Irregularitäten, etc.) dienen. Im ersten Schritt wollen wir unsere Versuchstechniken an diese neue Klasse von Werkstoffen anpassen. Im Hauptteil sollen dann die erwähnten Eigenschaften sowohl experimentell als auch modellmäßig untersucht werden. In den experimentellen Untersuchungen sollen sowohl die globalen bruchmechanischen Kenngrößen, wie Zähigkeit und Ermüdungsrißfortschrittskurven, inklusive dem Schwellwert sowie die lokalen Vorgänge an der Rißspitze, durch in-situ Experimente mit Rasterelektronenmikroskop, Stereolichtmikroskop und quantitativer Fraktographie, untersucht werden. Bei der Erstellung der Modelle ist sowohl an eine analytische am ESI, als auch an eine Finite-Elemente- Beschreibung am ILFB gedacht. Ziel ist es, aus den lokalen Vorgängen in diesem sehr "inhomogenen" Werkstoff auf die globalen (makroskopischen) Eigenschaften zu schließen. Im letzten Schritt soll dann untersucht werden, wie die bruchmechanischen Größen und das Bruchverhalten im Zugversuch oder Ermüdungsversuch zusammenhängen. Mit dieser Arbeit sollten vorerst bruchmechanische Kenngrößen bestimmt werden, die für den Einsatz von diesem Werkstoffen sehr wichtig sind. Die wesentliche Aufgabe dieses Projektes ist aber die Erstellung von Beziehungen zwischen Struktur und den bruchmechanischen Eigenschaften des Schaums. Solche grundlegenden Beziehungen können dann für das Design von Metallschäumen verwendet werden.